电子产品开发设计与实践教程

第8章设计中的工程问题本章导读本章针对实际设计中的工程问题进行了全面介绍，对电子产品的使用要求、生产要求、气候防护、抗干扰设计、可靠性设计等均作了深入探讨。通过本章的学习，了解产品设计中各项因素的影响，学会综合考虑问题，掌握解决实际问题的原则和方法。在完成了一件电子产品的方案设计与电路设计后，接下来的工作是产品试制和生产。一件电子产品，除需要达到预期的各项功能、指标外，还涉及到其他若干工程技术问题，如电磁兼容、可靠性等问题。实际上，这也是系统其他方面的性能指标。涉及到的主要内容有：连接电路、测试功能与指标，部件与整体的结构设计，以及在所需工作条件下作运行试验等。这期间会遇到与计算机仿真模拟结果不一致的许多问题，往往要对原方案及电路设计不断作出修改，还要更多考虑到电子产品在以后付诸生产制造时所面临的各种工艺技术问题，乃至日后的使用维护、市场营销等诸多问题。因此可以说，电子产品的工程实现阶段，是处在承前启后的中间地位，是一个理论与实践相结合的实践环节。工程实现的过程涉及较广的知识面，其最终质量，相当大的程度上依赖于研制者的经验、技巧，必须在工程实践中不断学习、总结与积累。制造电子产品的出发点是基于用户的需要。显然，电子产品除了在满足技术性能指标的要求下能正常而可靠地工作外，在设计和制造电子产品时还应满足以下基本要求。8.1电子产品的使用要求8.1.1体积和重量在众多的工业产品中，电子产品之所以迅猛发展，并得到广泛的使用，其重要原因之一，便是体积小、重量轻。因此减小电子产品的体积和重量，具有非常重要的意义。在某些情况下，产品的体积和重量起着决定性的作用。例如军用电子设备，减小其体积和重量就直接影响着部队的战斗力和装备使用的灵活性，同时对减少战士体力消耗，提高战斗力有着重要的战术意义。从生产角度考虑也有着不可忽视的经济意义。具体来说有以下几点：1.产品的用途对体积重量的要求产品的不同用途提出了不同的要求。如普通电子设备要求相对较低，而精工检测设备则要求较严；对固定不动的产品不成问题，对便携移动的产品则非考虑不可。例如人造卫星上用的电子设备，其体积重量有极严格的要求，任何一部分体积增大，就意味着减少其它设备的体积。卫星的重量每增加1㎏，火箭的燃料就多耗费数吨。2.运载工具对产品体积重量的要求由于安装各种设备的空间有限和操纵控制的需要，各种运载工具如汽车、坦克、飞机、火箭、舰船等，对电子产品的体积重量有较严格的要求。一般说来，航空设备要求最高，其次是各种车辆，再次是各种舰船。飞行器机舱容积有限，所用的各种电子设备，往往都将分机或部件的体积重量尽可能做得很小，仅把设备的控制和指示部分安装在飞行员的座舱内，其它部分则安装在飞机的各个部位，各部分之间用电缆连接。汽车、坦克用的电子设备的体积要求和空用相似，重量要求则可放宽。舰船则要求更宽。3.机械负荷对体积重量的要求电子产品工作时，可能会受到各种机械因素的影响。为了减少冲击、碰撞、振动和加速度的破坏作用，减少其体积重量会收到良好的效果。因为当重量减少时其质量也将减小，如果施加的加速度一定，则对产品的破坏力就会减小。4.经济因素对体积重量的要求减少电子产品的体积和重量，对节省原材料消耗和降低生产费用意义重大，其中的道理是非常明显的。对于生产批量很大的产品，即使产品的体积重量减少很少的一点，其在生产中所降低的费用，也是相当可观的。各种因素对电子产品体积重量的要求，已如前述。为使电子产品能够满足这些要求，则对表征产品体积重量的指标进行深入地探讨是很有必要的。有关指标如下：（1）平均比重产品的总重量与体积之比，称为产品的平均比重。（2）体积填充系数它表示电子产品结构的紧凑度。定义为：产品内全部零部件、元器件的体积总和与机箱（壳）内部容积的比值。电子产品的平均比重对结构设计有直接的影响。当平均比重为0．5㎏/dm3时，结构设计不会遇到很大困难；当平均比重为1.5～1.7㎏/dm3时，结构设计需要精心安排;当平均比重为2～2.2㎏/dm3时，结构设计需要应用特殊材料(如高强度轻金属合金)、高稳定元器件和采用新工艺、新结构（如多层印制电路板、集成电路和微型元器件等）；当平均比重达到2．5㎏/dm3时，结构设计将很困难。随着电子产品的平均比重增大，产品的体积填充系数也会提高。目前，一般的电子产品的体积填充系数为0．1～0．25；结构比较紧凑的电子产品（如采用多层印制电路板和超小型化元器件的产品），其体积填充系数为0．25～0．4；采用灌封电路的产品，其体积填充系数可达0．6。电子产品的紧凑的程度通过平均比重和体积的填充系数来体现。平均比重越高，体积填充系数越大，则产品的紧凑性越高。现代电子产品都希望有较高的紧凑性。但追求紧凑性会产生一系列矛盾，这主要表现在以下几个方面：（1）电子产品温升限制。绝大多数产品（尤其是大功率设备）提高紧凑性时遇到的最大困难是温升问题。如果产品的平均比重增大，则单位体积发热量增加。为了保证产品能正常工作，就需要采用一套冷却系统，而冷却系统本身也具有一定的体积和重量，这样反而提高了产品的总体积和总重量。（2）产品性能稳定程度。随着紧凑性提高，元器件间距变小，将会导致性能不稳，尤其是超高频和高压设备，由于分布电容增大，容易产生自激和脉冲波形变坏。由于元器件之间距离小，还容易产生短路和击穿。（3）组装维修不便。随着平均比重和体积填充系数增大，给生产时的装配和使用时的维护修理带来一定的困难，降低了设备的可靠性。（4）成本上升。紧凑性高的产品，在整机结构方面要求有较高的零件加工精度和装配精度，因而提高了产品成本。8.1.2操作与控制电子产品在进行结构设计时必须全面考虑操作性能如何，控制是否方便，这将直接影响到产品的可靠性和用户的满意度。对电子产品的操作与控制方面的要求，随具体产品的不同和使用场所的不同而变化。原则上有如下几点值得注意：1）为使用者创造良好的工作条件。例如，产品不会产生令人厌恶噪声，而且色彩调和给人以好感，其安装位置适当，令使用者精神安宁、注意力集中，从而提高工作质量。2）设备操作简单，能很快进入工作状态，不需要很熟练的操作技术。3）产品安全可靠，保险装置齐备。当使用者发生误操作时，不会损坏设备，更不能危及人身安全。4）控制机构轻便，尽可能减少使用者的体力消耗。读数识别与指示系统清晰，便于观察，且长时间观察也不易疲劳，不会损伤视力。8.1.3产品维护电子产品一般属于耐用消费品，使用过程中维护修理是否方便，也是衡量产品性能的一个重要方面。尤其是军用产品更是如此。所以在产品设计时，必须充分考虑维护修理要求。从维护方便的角度出发，对结构设计提出了以下要求：（1）在发生故障时，便于打开维修或能迅速更换备用件。如采用插入式和折叠式结构，快速装拆结构，以及可换部件式结构等。（2）可调元件、测试点应布置在设备的同一面；经常更换的元器件应布置在易于装拆的部位；对于电路单元应尽可能采用印制板并用接插件与系统联接。（3）元器件的组装密度不宜过大，即体积填充系统在可能的条件下应取低一些（一般最好不超过0．3），以保证元器件间有足够的空间，便于装拆和维修。（4）设备应具有过负荷保护装置（如过流、过压保护），危险和高压处应有警告标志和自动安全保护装置（如高压自动断路门开关）等，以确保维修者安全。（5）设备最好具备监测装置和故障预警装置，能使使用者尽早地发现故障或预测失效元器件，及时更换维修，以缩短维修时间，并防止大故障出现。8.2电子产品的生产要求8.2.1电子产品的生产条件电子产品的生产过程是指产品从研制、开发到推出的全过程。该过程包括设计、试制和批量生产等三个主要阶段。企业的设备情况，技术和工艺水平，生产能力和生产周期，以及生产管理水平等因素，都属于生产条件。产品如要顺利地投产，必须满足生产条件对它的要求，否则，就不可能生产出优质的产品，甚至根本无法投产。1.设计时应考虑的因素：1)企业的设备情况电子产品的生产企业应该具备与所生产的产品相配套的、完善的仪器设备，以便于产品的研制开发和批量生产。2)技术和工艺水平生产企业需配备相关的技术研究人才，能够根据产品的不同特点、需方的不同要求，研制、开发产品，完善产品的性能；还应具有相当的工艺水平，能够根据设计要求，生产出合格的产品。3)生产能力和生产周期产品定型后，要进入成批生产阶段。生产企业应具有配套的仪器设备、加工材料、熟练的技术工人和完备的生产程序，生产出符合设计要求的合格产品；同时合理安排各工序，以缩短生产周期，提高生产效率，降低生产成本。4)生产管理水平在电子产品的制造过程中，科学的管理已成为第一要素。管理不善将出现生产混乱、浪费严重、工序时间拉长，导致生产效率降低，生产成本上升；管理落后，将使产品质量下降，劣质产品充斥市场，破坏企业形象，最终导致企业破产。2.对材料的基本要求任何电子产品在它研制完成之后，都要投入生产。电子产品在生产过程中，对电子元器件等材料的基本要求如下：（1）产品中的零部件、元器件，其品种和规格应尽可能地少，尽量使用由专业厂生产的通用零部件或产品。因为这样便于生产管理，有利于提高产品质量，并降低成本。（2）产品中的零部件、元器件及其各种技术参数、形状、尺寸等，应最大限度的标准化和规格化。还应尽可能采用生产厂以前曾经生产过的零部件，充分利用生产厂的先进经验，使产品具有继承性。（3）产品所使用的原材料，其品种规格越少越好，应尽可能少用或不用贵重材料，立足于使用国产材料和来源多、价格低的材料。（4）产品中的机械零部件，必须有较好地结构工艺性，能够采用先进的工艺方法和流程。原材料消耗低，加工时间短，例如零件的结构、尺寸和形状便于实现工序自动化。以无屑加工代替切削加工。提高冲制件、压塑件的数量和比例，等等。（5）产品（含零部件）的加工精度要与技术条件要求相适应，不允许无根据地追求高精度。在满足产品性能指标的前提下，其精度等级应尽可能的低，装配也应尽可能简易化，尽量不搞选配和修配，力求减少装配工人的体力消耗，同时也便于自动流水线生产。8.2.2电子产品的经济性电子产品的经济性主要包括两方面的内容：生产经济性和使用经济性。生产经济性是指生产成本。它包括生产准备费用、原材料和辅助材料费用、工资和附加费用、管理费用等。使用经济性包括产品在使用、贮存和运输过程中所消耗的费用。其中维修费所占的比例最大，电源费次之。为了提高产品的经济性，在设计阶段就应充分考虑以下几个方面：（1）正确制定设计方案，研究产品与部件的技术条件，分析产品设计参数，研讨和保证产品性能和使用条件，这是产品经济性的首要环节。（2）根据产量确定产品结构形式和生产类型。产量的大小决定着生产批量的规模，生产批量不同，其生产方式类型也不同，因而其生产经济性也不同。（3）运用价值工程观念，在保证产品性能的条件下，按最经济的生产方法设计零部件，在满足产品技术要求的条件下，选用最经济合理的原材料和元器件，以求降低产品的生产成本。（4）全面构思，周密设计产品的结构，使产品具有良好的操作维修性能和使用性能，以降低产品的维修费用和使用费用。8.3电子产品的散热电子产品工作时的输出功率往往只占设备输入功率的一部分，其功率损失一般都以热能形式散发出来。实际上电子产品内部任何具有实际电阻的载流元器件都是一个热源。尤其是一些耗散功率较大的元器件，如变压器、大功率晶体管、大功率电阻等。另外，电子产品的温度与周围的环境温度也有密切的联系。当环境温度较高时，电子产品工作时所产生的热能就难以散发出去，将使产品温升提高。由于产品内的元器件都有一定的工作温度范围，若超过其极限温度，就将到引起产品工作环境的改变，缩短使用寿命，甚至损坏。电子产品的热设计，就是根据传热学的基本原理，采取各种散热手段，使产品的工作温度不超过其极限温度，从而保证电子产品在预定的环境条件下稳定可靠地工作。8.3.1工作温度的影响1.温度对变压器、扼流圈的影响一般变压器、扼流圈的允许温度应低于95℃。温度过高对这两类元件的影响，除降低其使用寿命外，绝缘材料的性能也将下降。2.温度对半导体器件的影响温度对半